專利名稱：通過(guò)濺射沉積涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)使用包括摻雜元素的濺射靶進(jìn)行濺射在襯底上沉 積涂層的方法，其中沉積的涂層基本上不含有所述摻雜元素。本發(fā)明還涉及具有作為濺射材料的非導(dǎo)電性主要組分和半導(dǎo)電性 或?qū)щ娦缘膿诫s元素的濺射靶。發(fā)明背景為了通過(guò)濺射方式沉積薄的陶瓷層，主要有兩種方式第一種方 法包括由金屬靶的反應(yīng)濺射第二種方法包括由陶瓷靶的濺射。兩種 方法均具有一些缺點(diǎn)。過(guò)程中的不穩(wěn)定、電弧放電、靶中毒和陽(yáng)極消失是公知的與反應(yīng) 濺射過(guò)程相關(guān)的現(xiàn)象。反應(yīng)濺射過(guò)程的另一缺點(diǎn)是由于存在氧在高溫下會(huì)發(fā)生金屬襯底 的氧化。這種問(wèn)題特別是在反應(yīng)濺射過(guò)程中原位加熱情況下發(fā)生。這可對(duì)沉積層的質(zhì)量和對(duì)襯底和沉積層間的界面質(zhì)量具有負(fù)面影 響。在例如用于高溫超導(dǎo)體的雙軸結(jié)構(gòu)緩沖層外延生長(zhǎng)過(guò)程中，襯底 的氧化可損壞結(jié)構(gòu)，這是公知的。避免這些問(wèn)題的方法是由陶瓷耙進(jìn)行濺射。然而，由于陶瓷材料 的低電導(dǎo)率，這些靶不能用于直流(DC)濺射過(guò)程。它們僅可用于RF濺射過(guò)程。目前可用的RF電源并不適于使用高 功率的大面積涂覆。陶瓷受限的導(dǎo)熱性也限制了陶瓷靶的最大功率密 度。由于沉積速率線性的取決于功率密度，因此在RF濺射過(guò)程中的沉 積速度低。為了提高陶瓷濺射靶的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，可在濺射靶中添加摻雜 元素。然而，由于會(huì)在沉積的涂層中引入摻雜的元素，這可能對(duì)涂層的性能具有負(fù)面影響。 發(fā)明概述本發(fā)的一個(gè)目的是提供在襯底上沉積涂層的方法，該方法可避免 現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。本發(fā)明的另一 目的是提供通過(guò)由包括摻雜元素的濺射靶進(jìn)行濺射 沉積涂層的方法，其中沉積的涂層基本上不含有這種摻雜的元素。本發(fā)明的又一 目的是提供適于直流(DC)或脈沖DC濺射的濺射靶。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供通過(guò)由濺射靶進(jìn)行濺射在襯底上沉 積涂層的方法。'減射靶包括作為濺射材料的主要組分和摻雜的元素。層。例如襯底加熱到高于20(TC的溫度。方法優(yōu)選包括在濺射過(guò)程中摻雜元素的升華和/或蒸發(fā)或包括在 '減射過(guò)程中產(chǎn)生的摻雜元素的反應(yīng)產(chǎn)物的升華和/或蒸發(fā)。摻雜元素的 反應(yīng)產(chǎn)物例如是摻雜元素與濺射氣體間的反應(yīng)結(jié)果。由于在濺射過(guò)程中摻雜元素升華和/或蒸發(fā)，因此沉積的涂層基本 上不含有摻雜元素。為了避免在沉積的涂層中引入升華和/或蒸發(fā)的產(chǎn)物，優(yōu)選的襯底 的溫度高于摻雜元素或摻雜元素的反應(yīng)產(chǎn)物的升華和/或蒸發(fā)溫度。更 優(yōu)選襯底的溫度也高于沉積腔室的溫度。這可例如通過(guò)加熱襯底、通 過(guò)冷卻沉積腔室或通過(guò)兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，襯底加熱到高于20(TC的溫度，更 優(yōu)選加熱到高于30(TC、 400X:、 500X:、 600C或700TC的溫度。升華定義為物質(zhì)從固態(tài)到氣態(tài)而不首先變?yōu)橐后w的狀態(tài)變化。蒸發(fā)定義為物質(zhì)從液態(tài)到氣態(tài)的狀態(tài)變化。在升華和/或蒸發(fā)后，摻雜元素或摻雜元素的反應(yīng)產(chǎn)物，例如冷凝 在真空腔室的壁上或冷凝在設(shè)置于真空腔室內(nèi)的冷卻軍上。該方法對(duì)于具有作為主要組分的不具有導(dǎo)電性或具有低導(dǎo)電性的組分的濺射靶的濺射材料特別重要。通過(guò)用導(dǎo)電性摻雜元素?fù)诫s這種濺射材料，濺射材料變?yōu)閷?dǎo)電性的，使得濺射靶可用于DC或脈沖DC 濺射。由于沉積的涂層基本上不含有摻雜元素，因此摻雜元素對(duì)涂層性 能將不具有負(fù)面影響。為了用于DC濺射過(guò)程，濺射材料優(yōu)選具有低于6000Qm的電阻率。 更優(yōu)選的，根據(jù)本發(fā)明的濺射靶的濺射材料具有低于1200Qm的電阻 率或更優(yōu)選濺射材料的電阻率低于120Qm。為了用于脈沖DC濺射過(guò)程，電阻率優(yōu)選低于15000Qm。摻雜元素或在濺射過(guò)程中產(chǎn)生的這種摻雜元素的反應(yīng)產(chǎn)物優(yōu)選在 真空中具有低的升華溫度和/或蒸發(fā)溫度?？赏ㄟ^(guò)Clausius-Clapeyron定律計(jì)算真空中的升華和/或蒸發(fā)溫度Tp = T。/(l+T。'ln(p。/p)/(L/k)) 其中T。是在標(biāo)準(zhǔn)壓力p。下的升華和/或蒸發(fā)溫度； k是Boltzmann常數(shù)；L是每個(gè)分子的潛熱汽化(latent heat vaporization)。 優(yōu)選摻雜元素或其反應(yīng)產(chǎn)物具有低于70QX:的升華和/或蒸發(fā)溫 度，更優(yōu)選低于600匸或甚至低于500。C,例如400。C的升華和/或蒸 發(fā)溫度。對(duì)于本發(fā)明的目的，"真空"表示在濺射過(guò)程中沉積腔室中的壓 力在10—4mbar-l(Tmbar。沉積的涂層基本上不含有摻雜元素。"基本上不含"表示在沉積 的涂層中摻雜元素的濃度低于5at%。更優(yōu)選濃度低于lat%,或甚至低 于0. lat°/。(即，低于X射線光鐠的檢測(cè)極限)。為了選擇性地沉積升華的和/或蒸發(fā)的摻雜元素，可優(yōu)選在沉積腔 室中提供板或篩網(wǎng)，例如冷卻的板或?yàn)V網(wǎng)。這種選擇性的沉積具有摻雜元素可更容易回收的優(yōu)點(diǎn)。作為濺射靶的主要組分，可考慮任何金屬或金屬合金或任何氧化物、氮化物或氧化物和氮化物的混合物。根據(jù)本發(fā)明的方法特別適于 具有如下靶材料的濺射靶，該靶材料具有作為主要組分的具有低導(dǎo)電 性的組分，比如陶瓷材料例如穩(wěn)定的或非穩(wěn)定的氧化鋯。氧化鋯例如 可以用釔、鉤或鎂進(jìn)行穩(wěn)定。其它實(shí)例包括鈰氧化物(例如Ce02)、鋁氧化物(例如A 1203)、鋰鈷 氧化物(例如LiCo02)、鉻氧化物(例如Cr203)、銦氧化物(例如ln203 )、 鈦氧化物(例如TiO》、LiPON、鈦酸鍶鋇(SrBaTi03)…。也可考慮這些氧化物的亞化學(xué)計(jì)量和超化學(xué)計(jì)量的變體。 基本上，作為摻雜元素，原則上可考慮任何在真空中在相對(duì)低的和/或蒸發(fā)的反應(yīng)產(chǎn)物中得到的并賦予濺射靶所需導(dǎo)電性的元素。優(yōu)選地，摻雜元素包括金屬。優(yōu)選的摻雜元素是銀、錫、鋅、鉍和梯o在反應(yīng)濺射過(guò)程中(例如在氬或氧氣氛的過(guò)程中)，銀和錫是優(yōu)選 的摻雜元素，由于這兩種元素形成具有低升華和/或蒸發(fā)溫度的氧化 物。摻雜元素的濃度主要由所需的靶的導(dǎo)電性決定。 摻雜元素的濃度越高，靶的導(dǎo)電性將越高。優(yōu)選地，摻雜元素的濃度為1-50重量％，例如1-40重量％或2-20重量％,例如5、 10、 15重量％。原則上，可使用根據(jù)本發(fā)明的方法沉積任何類型的涂層。 優(yōu)選的涂層包括陶瓷涂層，例如氧化物、氮化物和氧氮化物。 涂層的實(shí)例包括鋯氧化物，例如YSZ(釔穩(wěn)定的鋯)、鈰氧化物、鋁氧化物、鋰鈷氧化物、鉻氧化物、銦氧化物、鈦氧化物、SrBaTi03...。 由于沉積涂層基本上不含有摻雜元素，涂層的性能不受摻雜元素的影響。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供濺射靶。該濺射靶包括濺射材料。性或?qū)щ娦缘膿诫s元素。摻雜元素提供濺射材料所需的導(dǎo)電性，使得濺射靶可用于DC濺射過(guò)程。主要組分和摻雜元素以一定濃度存在，使得濺射材料的電阻率低 于6000Qm。更優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的賊射乾的'減射材料具有低于1200Qm的 電阻率，最優(yōu)選濺射材料的電阻率低于120Qm?？赏ㄟ^(guò)現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何技術(shù)獲得根據(jù)本發(fā)明的濺射靶，例 如通過(guò)噴涂、燒結(jié)或壓制例如冷或熱等靜壓壓制。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的描述根據(jù)本發(fā)明，提供平面2英寸的、包括摻雜有20-30重量％銀的氧 化鋯/氧化釔(8 8 /12)的'減射靼?？赏ㄟ^(guò)現(xiàn)有技術(shù)中任何已知的方法制備濺射靶。制備濺射靶的優(yōu) 選方法是通過(guò)在靶支架上噴涂，例如火焰或等離子噴涂靶材料。盡管 在實(shí)施例中提及的濺射靶的靶支架是平面的，也可考慮圓柱形靶支架。 也可在施用靶材料前在靶支架上施用粘附促進(jìn)層。在DC濺射過(guò)程中(功率100W)使用如上所述的靶以在MgO襯底上 沉積YSZ涂層。襯底溫度是700。C。 ^f吏用0. 6-2sccm的02流和130sccm的氬流進(jìn) 行濺射過(guò)程。真空腔室中的壓力約2. 10—2mbar。通過(guò)X射線光鐠的方式檢測(cè)沉積涂層中的銀濃度。濃度低于檢測(cè) 極限。由于高的襯底溫度，生長(zhǎng)YSZ外延層。 能沉積具有3.5。 FWHM的雙軸結(jié)構(gòu)GOO)YSZ層。
權(quán)利要求
1.通過(guò)由濺射靶進(jìn)行濺射在襯底上沉積涂層的方法，所述濺射靶包括主要組分和摻雜元素作為濺射材料，其中在濺射過(guò)程中加熱所述襯底以獲得基本上不含有所述摻雜元素的涂層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在濺射過(guò)程中加熱所述襯底到高 于20(TC的溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述方法包括所述摻雜元素華和/或蒸ir5、，、'、"
4. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中在濺射過(guò)程中加熱所述襯 底到高于所述摻雜元素升華和/或蒸發(fā)溫度的溫度。
5. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述濺射是DC或脈沖DC 濺射。
6. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述濺射材料具有低于 15000Qm的電阻率。
7. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述濺射材料具有低于 6000Qm的電阻率。
8. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述摻雜元素或所述摻雜 元素的所述反應(yīng)產(chǎn)物在真空中具有低于700。C的升華溫度。
9. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述摻雜元素選自銀、錫、 鋅、鉍和銻。
10. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述摻雜元素在所述濺射 材料中的濃度為1-50重量％。
11. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述主要組分選自金屬、 金屬合金、氧化物、氮化物和其混合物。
12. 根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述主要組分選自鈰氧化 物、鋁氧化物、鋰鈷氧化物、鉻氧化物、銦氧化物、鈦氧化物、LiPON 和鈥酸鍶鋇。
13. 包括濺射材料的濺射靶，所述濺射材料包括不具有電導(dǎo)性或具 有低電導(dǎo)性的主要組分和半導(dǎo)電或?qū)щ姷膿诫s元素，所述主要組分和 所述的摻雜元素以一定濃度存在以賦予濺射材料低于15000Qm的電 阻率，其中當(dāng)在濺射過(guò)程中使用所述濺射靶時(shí)所述摻雜元素或所述摻 雜元素的反應(yīng)產(chǎn)物在真空中升華和/或蒸發(fā)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的濺射靶，其中所述電阻率低于6000Qm。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14的濺射靶，其中所述電阻率低于1200Qm。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)的濺射靶，其中所述電阻率低于 120Qm。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)的濺射靶，其中所述濺射靶適用 于DC或脈沖DC濺射過(guò)程。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)的濺射靶，其中所述摻雜元素或 所述摻雜元素的所述反應(yīng)產(chǎn)物在真空中具有低于70(TC的升華溫度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13-18中任一項(xiàng)的濺射靶，其中所述摻雜元素 選自銀、金、銻、鉍和錫。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13-19中任一項(xiàng)的濺射靶，其中所述摻雜元素在 所述濺射材料中的濃度為1-50重量％。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13-20中任一項(xiàng)的濺射靶，其中所述主要組分選 自金屬、金屬合金、氧化物、氮化物和其混合物。
22. 根據(jù)權(quán)利要求13-21中任一項(xiàng)的濺射靶，其中所述主要組分選 自鋯氧化物、穩(wěn)定的鋯氧化物、鈰氧化物、鋁氧化物、鋰鈷氧化物、 鋅氧化物、鉻氧化物、銦氧化物和鈦氧化物。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過(guò)使用包括摻雜元素的濺射靶進(jìn)行濺射在襯底上沉積涂層的方法，其中沉積的涂層基本上不含有所述摻雜元素。本發(fā)明還涉及具有作為濺射材料的非導(dǎo)電性主要組分和半導(dǎo)電性或?qū)щ娦缘膿诫s元素的濺射靶。
文檔編號(hào)H01J37/34GK101273431SQ200680035219
公開(kāi)日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者A·塞熱, H·德?tīng)枀? J·德尼爾 申請(qǐng)人:貝卡爾特股份有限公司